EP1421393B1 - Optical current sensors - Google Patents
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- EP1421393B1 EP1421393B1 EP02806845A EP02806845A EP1421393B1 EP 1421393 B1 EP1421393 B1 EP 1421393B1 EP 02806845 A EP02806845 A EP 02806845A EP 02806845 A EP02806845 A EP 02806845A EP 1421393 B1 EP1421393 B1 EP 1421393B1
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- G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect
Definitions
- An optical current sensor is known from EP 0 856 737 A1. He has a coil-shaped, magneto-optically active sensor fiber, which encloses a conductor. At least at one end is the sensor fiber via a phase delay element with a further optical Fiber, a so-called supply or return fiber, connected, via which light can be coupled into or out of the sensor fiber leaves.
- the feed or return fibers are preferably an elliptical core cross-section. In them propagate linearly polarized Light waves.
- phase delay element acts according to a phase delay angle of an odd multiple of 90 °. As a result, it transforms the aforementioned linearly polarized light waves of the feed and return fibers in circularly polarized light waves, which propagate in the sensor fiber.
- phase delay element For the mentioned angle between the main axes and for the phase delay angle the phase delay element are in the mentioned EP 0 856 737 A1 tolerance angle indicated.
- the sensor fiber is used either as a Sagnac interferometer or, if one their ends is mirrored, operated as a reflection interferometer. In both Cases spread in the sensor fiber two circularly polarized light waves out. The waves are opposite in the case of the Sagnac interferometer, in the case of the reflection interferometer, they run in the same direction. In the Sagnac interferometer both waves have the same polarization sense, where they are either left or right circularly polarized. In the reflection interferometer they have an opposite polarization sense on.
- a fiber optic current sensor is described, the influence suppresses the temperature dependence of the Verdet constant V, in that a phase delay element is used whose temperature dependence the temperature dependence of the Verdet constant V compensated.
- the phase delay element a Phase delay angle, which by an angle ⁇ ⁇ 0 ° of the phase delay angle of an ideal phase delay element differs.
- the phase delay angle is instead of 90 ° then 90 ° + ⁇ , corresponding phase delay angles typically 95 ° to 105 °.
- the Verdet constants V are also negative angles ⁇ possible.
- phase delay elements are preferably as birefringent Fiber segments formed with elliptical core cross-section, wherein the phase delay angle then by appropriate choice of the length of the fiber segment can be easily adjusted.
- the main axes of the supply fiber include an angle of 45 ° with those of the phase delay element, so slightly elliptically polarized in the sensor fiber Light waves off.
- a problem with this type of compensation of the temperature dependence of the Verdet constant V is that it results in a deviation from a linear relationship between the current to be measured and a measurement signal, the measurement signal being generally proportional to ⁇ S or ⁇ R is.
- Such nonlinearities of the ratio between the current to be measured and a measurement signal typically have a magnitude of 0.1% to 1% and cause measurement inaccuracies or complicate the evaluation of the measurement, if greater measurement accuracy is required. With the help of a complex signal processing such nonlinearities can be compensated.
- the sensor should solve the above mentioned disadvantages. Especially the sensor should have a greater accuracy of measurement and / or facilitate the evaluation of the measurement and the use of a unnecessary signal processing.
- This object triggers a method for producing a optical current or magnetic field sensor having the features of the claim 1, an optical current or magnetic field sensor according to claim 10 and a method for measuring an electric current or a magnetic field with the features of claim 11.
- the optical current or magnetic field sensor has a sensor head with a sensor element and two phase delay elements as well two light pipe elements.
- the components of the sensor head are in the Sequence first light pipe element, first phase delay element, Sensor element, second phase delay element, second light pipe element arranged along a light path and optically interconnected.
- the phase delay angles ⁇ , ⁇ 'of the phase delay elements soft by angle ⁇ , ⁇ ' ⁇ 0 ° with -90 ° ⁇ , ⁇ ' ⁇ 90 ° of an odd multiple of 90 °.
- a major axis of the first light pipe element closes with a Main axis of the adjacent first phase delay element a Angle of 45 ° ⁇ ⁇ with ⁇ ⁇ 0 ° and 0 ° ⁇ ⁇ 45 °, which depends on is selected from the angles ⁇ , ⁇ '.
- Nonlinearities between an immediate measurement signal and an electrical current to be measured Current or magnetic field, which result from ⁇ , ⁇ ' ⁇ 0 °, can by a corresponding ⁇ , ⁇ '-dependent choice of the angle ⁇ at least approximately be compensated. This creates an at least approximate linear relationship between the immediate measurement signal and the electric current or magnetic field to be measured. This has the advantage of a to allow easy evaluation of the measurement, and greater measurement accuracy reach without consuming a complex signal processing.
- a Sagnac-configured sensor is inexpensive can be produced, since a commercially available detection unit without consuming Adjustments can be used.
- both have phase delay elements a non-zero deviation ⁇ , ⁇ 'of their Phase delay angle ⁇ , ⁇ 'of odd multiples of 90 °, and both phase delay elements together have a temperature dependence on that the temperature dependence of the Verdet constants V of the sensor element at least approximately compensated.
- the means, the two phase delay elements together provide one such contribution to the temperature dependence of the instantaneous measurement signal, that the temperature dependence of the Verdet constant V of the sensor element is at least approximately compensated.
- the ones from the combination the two phase delay elements resulting temperature dependence is thus chosen in the described way. In this way, the Sensor not only an at least approximately linear relationship between the immediate measurement signal and the electrical to be measured Current or magnetic field, but also improved temperature stability.
- phase delay elements In another preferred embodiment of the subject invention is at least one of the two phase delay elements, preferably both phase delay elements, as fiber piece with elliptical core formed, which has a phase delay angle of 90 ° + ⁇ (or 90 ° + ⁇ ').
- phase delay elements are simple and inexpensive to produce.
- the sensor element so that it has a current conductor can include coil-shaped, because so can the measurement accuracy and sensitivity of the sensor can be increased.
- FIG. 1 shows schematically a part of a sensor head 1 for an optical current or magnetic field sensor.
- a first light pipe element 11, which is used as a polarization-maintaining optical fiber with elliptical Core cross-section is formed, with a first end 131 of a first phase delay element 13 optically connected, i. light waves can from the light pipe element 11 in the first end 131 of first phase delay element 13 are coupled and vice versa.
- a second end 132 of the first phase delay element 13 is optically connected to a sensor element 15, which is preferably a magneto-optically active fiber with a round core cross-section.
- the main axis y 'of the first light-conducting element 11 encloses an angle of 45 ° + ⁇ with a main axis y of the first phase-delay element 13, where ⁇ ⁇ 0 ° is an angle that is selected as a function of the angle ⁇ .
- the two graphs in the lower part of Figure 1 schematically illustrate the second linearly polarized light waves 4 in the first phase delay element 13.
- the second linearly polarized light waves polarized along the slow main axis y of the first phase delay element 13 are 4 y with the second linearly polarized light waves 4 x in phase polarized along the fast main axis x of the first phase delay element 13.
- FIG. 2 shows a current or magnetic field sensor according to the invention has a Sagnac configuration. On the basic structure and on the operation of the sensor will not be discussed in detail here. The cited prior art can provide appropriate information be removed.
- the sensor head 1 has the current or Magnetic field sensor still has a transmitter-evaluation unit 2. This includes In the example shown, a light source 20, a fiber coupler 21, a Fiber polarizer 22, a second fiber coupler 24 and a phase modulator 25, and a detector 26, a signal processor 27 and a measured value output 28.
- the transmitter-evaluation unit 2 is used to generate and Detection of light and the evaluation and output of measured data.
- the directions of propagation are those of the operation shown in FIG Current or magnetic field sensor in the sensor head 1 capable of propagation Light waves shown. Give the open arrows by the reference sign the propagation direction. In FIG. 2, for reasons of clarity only a few of the light waves and propagation directions are shown. For the following explanations, reference is made to FIGS. 2 and 3.
- the transmitter-evaluation unit 2 Via the first light-conducting element 11 and a second light-conducting element 12 or entprechende extensions or connections is the transmitter-evaluation unit 2 connected to the sensor head 1.
- the latter shows beside the first phase delay element 13 nor a second phase delay element 14, which is analogous to the first phase delay element 13 at a first end 141 with the second light pipe element 12 is optically connected, and at a second end 142 with a second end of the sensor element 15 is optically connected.
- the sensor element 15 is formed as a magneto-optically active fiber, the coil-shaped a current conductor S encloses.
- the light pipe elements 11 and 12 are polarization-maintaining fibers with an elliptical core cross-section educated.
- linearly polarized light is generated, from Which then in the two light pipe elements 11 and 12, the first linear polarized light waves 3 and 3 'are.
- the graphics in the middle of Figure 2 symbolize these light waves 3,3 'as thick arrows.
- the open Arrows indicate the propagation direction of the light waves 3,3 '.
- the elliptically polarized light waves 6 experience a magneto-optically induced phase shift due to the Faraday effect.
- the elliptically polarized light waves 6 couple into the second end 142 of the second phase retarding element 14 where they are converted to third linearly polarized lightwaves 5 comprising linearly polarized lightwaves 5 x and 5 y .
- These third linearly polarized light waves 5 excite fourth linearly polarized light waves 5 a in the second light conduction element 12, which are then supplied via the second light conduction element 12 to the transmit-evaluation unit 2. There, the light waves are detected.
- Third light waves 5a whose polarization axis is oriented perpendicular to the polarization axis of the first linearly polarized light waves 3, can be blocked in the fiber polarizer 22 so that they are not detected.
- the first linearly polarized light waves 3 ' are detected by means of the second phase delay element 14 converted into elliptically polarized light waves 6 ', which then in the sensor element 15 propagate, with a propagation direction, that of the elliptically polarized light waves 6 is opposite.
- a main axis of the second light-conducting element 12 includes a major axis of the second phase retarding element 14 an angle 45 ° + ⁇ ', with an angle ⁇ ', for which 0 ° ⁇ ⁇ ' ⁇ 45 °.
- a magnetic field which arises due to an electric current I flowing in the current conductor S, causes a magneto-optically induced phase shift of the elliptically polarized light waves 6 'via the Faraday effect.
- the elliptically polarized light waves 6 ' After passing through the sensor element 15, the elliptically polarized light waves 6 'couple into the second end 132 of the first phase delay element 13.
- Third linearly polarized light waves 5 ' are generated, which comprise third linearly polarized light waves 5 x ' and 5 y ', and there is a phase shift of 90 ° + ⁇ between these third linearly polarized light waves 5 x ' and 5 y '.
- the magneto-optically induced phase shift from the elliptically polarized light waves 6 or from the elliptically polarized light waves 6 'propagating in opposite directions in the sensor element 15 can serve as an immediate measurement signal for determining the electrical current I.
- the term "immediate" measurement signal is intended to mean that no signal conditioning has taken place in order to generate a signal which is at least approximately proportional to the electrical current I from the measurement signal.
- the signal of one elliptically polarized lightwave 6 is preferably used in a sensor in Sagnac configuration as a reference signal for the other counter-rotating elliptically polarized lightwaves 6 '.
- a differential phase shift ⁇ S of the two elliptically polarized light waves 6 and 6 ' is taken. This direct measurement signal is exactly twice as large as the magneto-optically induced phase shift, which experiences each of the elliptically polarized light waves 6 and 6 'individually.
- ⁇ is the angle between the fast axes of the two phase delay elements 13 and 14.
- a mathematically complete compensation of the nonlinearity is not possible because of the difference in the functional relationships for the angles ⁇ , ⁇ 'and for the angles ⁇ , ⁇ '. But nonlinearity can be reduced and compensated for enough to make it meaningless in practice.
- nonlinearity increases for larger angles ⁇ .
- the light pipe elements 11, 12 can also be used as other types of polarization preserving optical Be formed fibers such as so-called panda fibers, Bowtie fibers or fibers with an additional, inner, elliptical Cladding (fiber coat).
- the first linearly polarized Light waves 3,3 ' directly or by means of a lens or an optical Module in the phase delay elements 13,14 initiate. Then you would be the light pipe elements 11,12 air or vacuum, or the lens or the optical assembly.
- main axes of the light guide elements 11,12 always the axes are referred to, by the polarization vectors of the first linearly polarized light waves 3,3 'are given.
- the optical connections between the phase delay elements 13,14 and the light pipe elements 11,12 or the sensor element 15 can be direct connections, as for example created by welding together using a so-called Splice device become. Or they are connections via an intermediate medium, for example a gel, glue or piece of fiber or an optical assembly. Or the coupling of light waves takes place through a vacuum or through a gas instead.
- the phase delay elements 13, 14 may be optical fiber pieces with geometrically induced birefringence, for example by an elliptical one Core, or with stress-induced birefringence, such as Bowtie or panda fibers or fibers with an inner elliptical Coat. They can also be used as loops of ordinary single-mode fibers be formed with a round core.
- the phase delay generated via the birefringence which is caused by the fiber curvature becomes.
- ⁇ / 4 plates are also conceivable.
- the phase delay angle ⁇ , ⁇ ' can be subtended by angles ⁇ , ⁇ ' from any odd number Multiples of 90 °.
- angles ⁇ , ⁇ ' are preferably given that they are just so big that the temperature dependence the Verdet constants of the sensor element 15 by the temperature dependence the phase delay elements 13,14 compensated becomes. This can result in positive as well as negative angles ⁇ , ⁇ '.
- angles ⁇ and ⁇ ' can be of different sizes. There is still one for you given angle ⁇ in general many different pairs of angles ⁇ , ⁇ ', which leads to an at least approximate compensation of ⁇ ⁇ 0 ° and / or ⁇ ' ⁇ 0 ° resulting nonlinearities. Nevertheless, it is the choice of ⁇ then still depends on ⁇ , but ⁇ then depends in addition from ⁇ 'and ⁇ ' and from ⁇ . One can also say that ⁇ and ⁇ 'in Depending on at least the angles ⁇ and ⁇ 'are selected. Of the Angle ⁇ is still added as an influence.
- the sensor element 15 may, as indicated above coil-shaped, preferably in several turns, the current conductor S include. However, fractions of a turn are also possible, and differently curved or non-curved sensor elements 15 can also be used.
- the sensor element 15 consists of an optical fiber which is free of mechanical stresses, as described in EP 0 856 737 A1. Particularly advantageous is the use of such a stress-free sensor fiber 15 together with a temperature-dependence-compensating phase delay element 13, 14, as described in EP 1 115 000.
- Such a current or magnetic field sensor according to the invention has virtually no temperature dependence, but has a linear relationship between a current I to be measured and the instantaneous measurement signal ⁇ S.
- magneto-optically active fibers and solid glasses or magneto-optical crystals such as yttrium-iron garnet, Y 3 Fe 5 O 12
- the sensor element 15 must be operatively connected to the magnetic field to be measured, preferably at a location where the magnetic field is large, so that the elliptically polarized light waves 6, 6 'experience the greatest possible magneto-optically induced phase shift due to the magnetic field.
- angles ⁇ of up to about 10 ° result.
- ⁇ ⁇ ⁇ ' it is possible to have different pairs ⁇ , ⁇ 'to choose according to the invention, so that at ⁇ ⁇ 30 ° and inventive Angle ⁇ greater than 10 ° are possible.
- transmitter-evaluation unit 2 are interferometric as well as polarimetric Detecting variants possible. From the prior art are various Possibilities for evaluating the immediate measurement signals known. In the example of FIG. 2, each one was elliptically polarized Light waves 6 as a reference signal for the other elliptically polarized Light waves 6 'used, both of which are influenced by the electric Electricity I or the magnetic field were exposed. But it is also possible to measure the magneto-optically induced phase shift without each other to use different elliptically polarized light waves 6 and 6 '.
- linear polarized light waves are generated, which induced no magneto-optically Phase shift, and opposite to which the magneto-optically induced phase shifts of the elliptically polarized light waves 6 or 6 'determine.
- the light source 20 is typically a low-coherence semiconductor source used, such as a superluminescent diode, a multimode laser diode, a laser diode operated below the laser threshold, or a luminescent diode (LED), preferably with wavelengths around 800 nm, 1300 nm or 1550 nm. But different wavelengths, for Example from the ultraviolet, the visible or the infrared range are usable.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Strom- oder Magnetfeldsensorik. Sie bezieht sich auf
- ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäss dem Oberbegriff
des
Patentanspruchs 1, - auf einen optischen Strom- oder Magnetfeldsensor gemäss dem Oberbegriff
des
Patentanspruchs 10 und - auf ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms oder Magnetfeldes
gemäss dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 11.
- a method for producing a sensor according to the preamble of
patent claim 1, - to an optical current or magnetic field sensor according to the preamble of
patent claim 10 and - to a method for measuring an electric current or magnetic field according to the preamble of
patent claim 11.
Ein optischer Stromsensor ist aus EP 0 856 737 A1 bekannt. Er
weist eine spulenförmig gewickelte, magnetooptisch aktive Sensorfaser auf,
welche einen Stromleiter umschliesst. Mindestens an einem Ende ist die Sensorfaser
über ein Phasenverzögerungselement mit einer weiteren optischen
Faser, einer sogenannten Zu- beziehungsweise Rückleitungsfaser, verbunden,
über welche sich Licht in die Sensorfaser ein- beziehungsweise auskoppeln
lässt. Die Zu- beziehungsweise Rückleitungsfasern haben vorzugsweise
einen elliptischen Kernquerschnitt. In ihnen propagieren linear polarisierte
Lichtwellen. Als Phasenverzögerungselement wirkt ein doppelbrechendes
Fasersegment, welches zwischen Sensorfaser und Zuleitungsfaser angeordnet
ist. Dieses Fasersegment weist zwei optische Hauptachsen auf, eine
schnelle (kurze) und eine langsame (lange) Hauptachse. Diese sind unter 45°
zu den zwei Hauptachsen der Zu- beziehungsweise Rückleitungsfasern ausgerichtet.
Üblicherweise ist seine Länge so gewählt, dass es als λ/4-Phasenverzögerungselement
wirkt, entsprechend einem Phasenverzögerungswinkel
von einem ungeradzahligen Vielfachen von 90°. Dadurch wandelt es die genannten
linear polarisierten Lichtwellen der Zu- und Rückleitungsfasern in
zirkular polarisierte Lichtwellen um, welche sich in der Sensorfaser ausbreiten.
Für den genannten Winkel zwischen den Hauptachsen und für den Phasenverzögerungswinkel
des Phasenverzögerungselementes sind in der genannten
EP 0 856 737 A1 Toleranzwinkel angegeben.An optical current sensor is known from
Die Sensorfaser wird entweder als Sagnac-Interferometer oder, wenn eines ihrer Enden verspiegelt ist, als Reflexions-Interferometer betrieben. In beiden Fällen breiten sich in der Sensorfaser zwei zirkular polarisierte Lichtwellen aus. Die Wellen sind dabei im Falle des Sagnac-Interferometers gegenläufig, im Falle des Reflexions-Interferometers laufen sie in gleicher Richtung. Im Sagnac-Interferometer haben beide Wellen denselben Polarisationssinn, wobei sie entweder links- oder rechts-zirkular polarisiert sind. Im Reflexions-Interferometer weisen sie einen entgegengesetzten Polarisationssinn auf.The sensor fiber is used either as a Sagnac interferometer or, if one their ends is mirrored, operated as a reflection interferometer. In both Cases spread in the sensor fiber two circularly polarized light waves out. The waves are opposite in the case of the Sagnac interferometer, in the case of the reflection interferometer, they run in the same direction. In the Sagnac interferometer both waves have the same polarization sense, where they are either left or right circularly polarized. In the reflection interferometer they have an opposite polarization sense on.
Ist der Stromleiter von einem elektrischen Strom I durchflossen, so erzeugt
der Strom I ein Magnetfeld, welches zu einer differentiellen Phasenverschiebung
zwischen diesen zwei gegenläufigen bzw. gleichlaufenden Lichtwellen
führt. Dieser Effekt wird magneto-optischer Effekt oder Farraday-Effekt genannt.
Für zirkular polarisierte Lichtwellen in der Sensorfaser ist die entstandene
Phasenverschiebung dabei proportional zum Strom und beträgt in der
Sagnac-Konfiguration
In der genannten EP 0 856 737 A1 ist eine Sensorfaser beschrieben, die
frei von mechanischen Spannungen ist, so dass das erhaltene Mess-Signal
nicht von einer temperaturabhängigen, stress-induzierten linearen Doppelbrechung
gestört wird. Die Verdet-Konstante V der Sensorfaser weist jedoch
ebenfalls eine Temperaturabhängigkeit auf, welche selbst bei einer idealen,
stressfreien Faserspule bemerkbar ist.In the cited
In EP 1 115 000 ist ein faseroptischer Stromsensor beschrieben, der den Einfluss
der Temperaturabhängigkeit der Verdet-Konstanten V dadurch aufhebt,
dass ein Phasenverzögerungselement verwendet wird, dessen Temperaturabhängigkeit
die Temperaturabhängigkeit der Verdet-Konstanten V kompensiert.
Dies wird erreicht, indem das Phasenverzögerungselement einen
Phasenverzögerungswinkel aufweist, welcher um einen Winkel ε ≠ 0° von
dem Phasenverzögerungswinkel eines idealen Phasenverzögerungselements
abweicht. Bei einem λ/4-Phasenverzögerungselement beträgt der Phasenverzögerungswinkel
statt 90° dann 90° + ε, entsprechend Phasenverzögerungswinkeln
von typischerweise 95° bis 105°. Je nach Vorzeichens der Temperaturabhängigkeit
der Verdet-Konstanten V sind auch negative Winkel ε
möglich.In
Derartige Phasenverzögerungselemente werden vorzugsweise als doppelbrechende Fasersegmente mit elliptischem Kernquerschnitt ausgebildet, wobei der Phasenverzögerungswinkel dann durch entsprechende Wahl der Länge des Fasersegments einfach eingestellt werden kann. Werden einem solchen Phasenverzögerungselement mit ε ≠ 0° über die Zuleitungsfaser linear polarisierte Lichtwellen zugeführt, wobei die Hauptachsen der Zuleitungsfaser mit denen des Phasenverzögerungselements einen Winkel von 45° einschliessen, so breiten sich in der Sensorfaser leicht elliptisch polarisierte Lichtwellen aus.Such phase delay elements are preferably as birefringent Fiber segments formed with elliptical core cross-section, wherein the phase delay angle then by appropriate choice of the length of the fiber segment can be easily adjusted. Become one Phase delay element with ε ≠ 0 ° linearly polarized over the supply fiber Light waves supplied, the main axes of the supply fiber include an angle of 45 ° with those of the phase delay element, so slightly elliptically polarized in the sensor fiber Light waves off.
Problematisch bei dieser Art der Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Verdet-Konstanten V ist, dass sich durch sie eine Abweichung von einem linearen Zusammenhang zwischen dem zu messenden Strom und einem Mess-Signal ergibt, wobei das Mess-Signal im allgemeinen proportional zu ΔS beziehungsweise ΔR ist. Das heisst, die für zirkular polarisierte Lichtwellen gültigen linearen Beziehungen ΔS = 2 V N I und ΔR = 4 V N I sind für elliptische Lichtwellen nicht mehr gültig. Solche Nichtlinearitäten des Verhältnisses zwischen dem zu messenden Strom und einem Mess-Signal haben typischerweise eine Grössenordnung von 0.1% bis 1% und verursachen Messungenauigkeiten beziehungsweise komplizieren die Auswertung der Messung, sofern eine grössere Messgenauigkeit erforderlich ist. Mit Hilfe einer aufwendigen Signalverarbeitung können solche Nichtlinearitäten kompensiert werden.A problem with this type of compensation of the temperature dependence of the Verdet constant V is that it results in a deviation from a linear relationship between the current to be measured and a measurement signal, the measurement signal being generally proportional to Δ S or Δ R is. This means that the valid linear relationships for circularly polarized light waves Δ S = 2 VNI and Δ R = 4 VNI are no longer valid for elliptical light waves. Such nonlinearities of the ratio between the current to be measured and a measurement signal typically have a magnitude of 0.1% to 1% and cause measurement inaccuracies or complicate the evaluation of the measurement, if greater measurement accuracy is required. With the help of a complex signal processing such nonlinearities can be compensated.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Strom- oder Magnetfeld-Sensor der eingangs genannten Art, ein entsprechendes Herstellungsverfahren und ein entsprechendes Messverfahren zu schaffen. Der Sensor soll die oben genannten Nachteile beheben. Insbesondere soll der Sensor eine grössere Messgenauigkeit aufweisen und/oder die Auswertung der Messung vereinfachen und den Einsatz einer aufwendigen Signalverarbeitung erübrigen.It is an object of the invention to provide an improved current or magnetic field sensor of the type mentioned, a corresponding manufacturing process and a corresponding measurement method to accomplish. The sensor should solve the above mentioned disadvantages. Especially the sensor should have a greater accuracy of measurement and / or facilitate the evaluation of the measurement and the use of a unnecessary signal processing.
Diese Aufgabe löst ein Verfahren zur Herstellung eines
optischen Strom- oder Magnetfeldsensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1,
ein optischer Strom-
oder Magnetfeldsensor nach Patentanspruch 10 und ein Verfahren zur Messung
eines elektrischen Stroms oder eines Magnetfeldes mit den Merkmalen
des Patentanspruches 11.This object triggers a method for producing a
optical current or magnetic field sensor having the features of the
Der optische Strom- oder Magnetfeldsensor verfügt über einen Sensorkopf mit einem Sensorelement und zwei Phasenverzögerungselementen sowie zwei Lichtleitungselementen. Die Bestandteile des Sensorkopfes sind in der Reihenfolge erstes Lichtleitungselement, erstes Phasenverzögerungselement, Sensorelement, zweites Phasenverzögerungselement, zweites Lichtleitungselement entlang eines Lichtweges angeordnet und optisch miteinander verbunden. Die Phasenverzögerungswinkel ρ,ρ' der Phasenverzögerungselemente weichen um Winkel ε,ε' ≠ 0° mit -90° < ε, ε' < 90° von einem ungeradzahligen Vielfachen von 90° ab. Eine Hauptachse des ersten Lichtleitungselements schliesst mit einer Hauptachse des ihm benachbarten ersten Phasenverzögerungselements einen Winkel von 45° ± Δα mit Δα ≠ 0° und 0° < Δα < 45° ein, welcher in Abhängigkeit von den Winkeln ε,ε' gewählt wird. Nichtlinearitäten zwischen einem unmittelbaren Mess-Signal und einem zu messenden elektrisehen Strom oder Magnetfeld, die aufgrund von ε,ε' ≠ 0° resultieren, können durch eine entsprechende ε,ε'-abhängige Wahl des Winkels Δα mindestens annähernd kompensiert werden. Dadurch entsteht ein mindestens annähernd linearer Zusammenhang zwischen dem unmittelbaren Mess-Signal und dem zu messenden elektrischen Strom oder Magnetfeld. Dies hat den Vorteil, eine einfache Auswertung der Messung zu ermöglichen, und eine grössere Messgenauigkeit zu erreichen, ohne eine aufwendige Signalverarbeitung zu benutzen.The optical current or magnetic field sensor has a sensor head with a sensor element and two phase delay elements as well two light pipe elements. The components of the sensor head are in the Sequence first light pipe element, first phase delay element, Sensor element, second phase delay element, second light pipe element arranged along a light path and optically interconnected. The phase delay angles ρ, ρ 'of the phase delay elements soft by angle ε, ε '≠ 0 ° with -90 ° <ε, ε' <90 ° of an odd multiple of 90 °. A major axis of the first light pipe element closes with a Main axis of the adjacent first phase delay element a Angle of 45 ° ± Δα with Δα ≠ 0 ° and 0 ° <Δα <45 °, which depends on is selected from the angles ε, ε '. Nonlinearities between an immediate measurement signal and an electrical current to be measured Current or magnetic field, which result from ε, ε '≠ 0 °, can by a corresponding ε, ε'-dependent choice of the angle Δα at least approximately be compensated. This creates an at least approximate linear relationship between the immediate measurement signal and the electric current or magnetic field to be measured. This has the advantage of a to allow easy evaluation of the measurement, and greater measurement accuracy reach without consuming a complex signal processing.
In dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung eines optischen Strom- oder Magnetfeldsensors werden die genannten Bestandteile des Sensorkopfes in der genannten Weise angeordnet und dimensioniert. Insbesondere wird der genannte Winkel Δα in Abhängigkeit von den Winkeln ε,ε' gewählt.In the inventive method for producing a optical current or magnetic field sensor are called Components of the sensor head arranged and dimensioned in the manner mentioned. In particular, said angle Δα is dependent on the angles ε, ε 'chosen.
Ein in Sagnac-Konfiguration aufgebauter Sensor ist kostengünstig herstellbar, da eine kommerziell erhältliche Detektionseinheit ohne aufwendige Anpassungen eingesetzt werden kann. A Sagnac-configured sensor is inexpensive can be produced, since a commercially available detection unit without consuming Adjustments can be used.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Winkel Δα in Abhängigkeit von ε,ε' derart gewählt, dass die genannten Nichtlinearitäten um mindestens eine halbe Grössenordnung, also einen Faktor 3, gegenüber dem Fall Δα = 0° verringert sind.In an advantageous embodiment of the invention, the angle Δα is dependent of ε, ε 'selected such that the said nonlinearities um at least half an order of magnitude, ie a factor of 3, compared to Case Δα = 0 ° are reduced.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen beide Phasenverzögerungselemente eine von null verschiedene Abweichung ε,ε' ihrer Phasenverzögerungswinkel ρ,ρ' von ungeradzahligen Vielfachen von 90° auf, und beide Phasenverzögerungselemente zusammen weisen eine Temperaturabhängigkeit auf, die die Temperaturabhängigkeit der Verdet-Konstanten V des Sensorelementes mindestens annähernd kompensiert. Das heisst, die beiden Phasenverzögerungselemente liefern zusammen einen solchen Beitrag zur Temperaturabhängigkeit des unmittelbaren Mess-Signals, dass die Temperaturabhängigkeit der Verdet-Konstanten V des Sensorelementes mindestens annähernd kompensiert ist. Die aus der Kombination der beiden Phasenverzögerungselemente resultierende Temperaturabhängigkeit ist also in der geschilderten Art gewählt. Auf diese Weise weist der Sensor nicht nur einen mindestens annähernd linearen Zusammenhang zwischen dem unmittelbaren Mess-Signal und dem zu messenden elektrischen Strom oder Magnetfeld auf, sondern auch eine verbesserte Temperaturstabilität.In a preferred embodiment of the invention, both have phase delay elements a non-zero deviation ε, ε 'of their Phase delay angle ρ, ρ 'of odd multiples of 90 °, and both phase delay elements together have a temperature dependence on that the temperature dependence of the Verdet constants V of the sensor element at least approximately compensated. The means, the two phase delay elements together provide one such contribution to the temperature dependence of the instantaneous measurement signal, that the temperature dependence of the Verdet constant V of the sensor element is at least approximately compensated. The ones from the combination the two phase delay elements resulting temperature dependence is thus chosen in the described way. In this way, the Sensor not only an at least approximately linear relationship between the immediate measurement signal and the electrical to be measured Current or magnetic field, but also improved temperature stability.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind zusätzlich die Phasenverzögerungswinkel ρ,ρ' gleich (ρ = ρ' und ε = ε'). Und die relative Ausrichtung der Phasenverzögerungselemente zu den mit ihnen jeweils optisch verbundenen Lichtleitungselementen ist gleichartig gewählt, das heisst, dass für beide Phasenverzögerungselemente mindestens eine Hauptachse des Phasenverzögerungselements mit mindestens einer Hauptachse des Lichtleitungselements den gleichen Winkel Δα = Δα' einschliessen. Durch diesen symmetrischen Aufbau des Sensorkopfes wird eine verbesserte Herstellbarkeit und eine grosse Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen erreicht.In a further preferred embodiment of the subject invention In addition, the phase delay angles ρ, ρ 'are equal (ρ = ρ' and ε = ε '). And the relative alignment of the phase delay elements too is the optically associated with each optical fiber elements selected the same, that is, for both phase delay elements at least one major axis of the phase delay element with at least a major axis of the light pipe element the same angle Include Δα = Δα '. Due to this symmetrical design of the sensor head is an improved manufacturability and a great insensitivity achieved against interference.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einkopplung der linear polarisierten Lichtwellen in die Phasenverzögerungselemente mittels polarisationserhaltender Fasern als Lichtleitungselemente erfolgt. Dadurch kann die Erzeugung der linear polarisierten Lichtwellen in grosser räumlicher Entfernung von den Phasenverzögerungselementen und dem Sensorelement angeordnet sein, während trotzdem die Einkopplung der linear polarisierten Lichtwellen stets unter demselben Winkel erfolgt.Furthermore, it is advantageous if the coupling of the linearly polarized Light waves in the phase delay elements by means of polarization-preserving Fibers as light pipe elements takes place. This can cause the generation of the linearly polarized light waves in a large spatial distance from the Phase delay elements and the sensor element to be arranged while still the coupling of linearly polarized light waves always takes place at the same angle.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist mindestens eines der beiden Phasenverzögerungselemente, vorzugsweise beide Phasenverzögerungselemente, als Faserstück mit elliptischem Kern ausgebildet, das einen Phasenverzögerungswinkel von 90°+ ε (beziehungsweise 90°+ ε') aufweist. Derartige Phasenverzögerungselemente sind einfach und preisgünstig herstellbar.In another preferred embodiment of the subject invention is at least one of the two phase delay elements, preferably both phase delay elements, as fiber piece with elliptical core formed, which has a phase delay angle of 90 ° + ε (or 90 ° + ε '). Such phase delay elements are simple and inexpensive to produce.
Es ist von Vorteil, das Sensorelement so zu wählen, dass es einen Stromleiter spulenförmig umfassen kann, denn so kann die Messgenauigkeit und Empfindlichkeit des Sensors erhöht werden.It is advantageous to choose the sensor element so that it has a current conductor can include coil-shaped, because so can the measurement accuracy and sensitivity of the sensor can be increased.
Vorteilhaft ist es weiterhin, als Sensorelement eine magnetooptisch aktive Glasfaser einzusetzen, die nahezu frei von mechanischen Spannungen ist. Dadurch wird eine Temperaturabhängigkeit des Sensors reduziert. It is also advantageous, as a sensor element, a magneto-optically active To use glass fiber, which is almost free of mechanical stresses. As a result, a temperature dependence of the sensor is reduced.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den Patentansprüchen hervor.Further preferred embodiments are based on the patent claims out.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- Schematische Darstellung eines Teils eines erfindungsgemässen Sensors;
- Fig. 2
- Schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Strom- oder Magnetfeldsensors in Sagnac-Konfiguration;
- Fig. 3
- Schematische Darstellung der Ausbreitungsrichtung von sich im Betrieb eines erfindungsgemässen Strom- oder Magnetfeldsensors im Sensorkopf ausbreitenden Lichtwellen;
- Fig. 4
- Graphische Darstellung des berechneten Zusammenhangs zwischen der differentiellen Phasenverschiebung ΔS (normiert auf 2 ϕF) und dem Zweifachen der Faraday-Phasenverschiebung ϕF, 2 ϕF = 2 V N I, bei zueinander parallel ausgerichteten schnellen Achsen der Phasenverzögerungselemente (χ=0°) und Δα = Δα' = 0°, für verschiedene Winkel ε;
- Fig. 5
- Graphische Darstellung des berechneten Zusammenhangs zwischen der differentiellen Phasenverschiebung ΔS (normiert auf 2 ϕF) und dem Zweifachen der Faraday-Phasenverschiebung ϕF, 2 ϕF = 2 V N I, bei zueinander parallel ausgerichteten schnellen Achsen der Phasenverzögerungselemente (χ=0°) und ε = 0°, für verschiedene Winkel Δα = Δα';
- Fig. 6
- Graphische Darstellung des berechneten Zusammenhangs zwischen der differentiellen Phasenverschiebung ΔS (normiert auf 2 ϕF) und dem Zweifachen der Faraday-Phasenverschiebung ϕF, 2 ϕF = 2 V N I, bei zueinander parallel ausgerichteten schnellen Achsen der Phasenverzögerungselemente (χ=0°) und ε = 13°, für verschiedene Winkel Δα = Δα';
- Fig. 1
- Schematic representation of a part of a sensor according to the invention;
- Fig. 2
- Schematic representation of a current or magnetic field sensor according to the invention in Sagnac configuration;
- Fig. 3
- Schematic representation of the propagation direction of propagating in the operation of a current or magnetic field sensor according to the invention in the sensor head propagating light waves;
- Fig. 4
- Graphical representation of the calculated relationship between the differential phase shift Δ S (normalized to 2 φ F ) and twice the Faraday phase shift φ F , 2 φ F = 2 VNI, with parallel fast axes of the phase delay elements (χ = 0 °) and Δα = Δα '= 0 °, for different angles ε;
- Fig. 5
- Graphical representation of the calculated relationship between the differential phase shift Δ S (normalized to 2 φ F ) and twice the Faraday phase shift φ F , 2 φ F = 2 VNI, with parallel fast axes of the phase delay elements (χ = 0 °) and ε = 0 °, for different angles Δα = Δα ';
- Fig. 6
- Graphical representation of the calculated relationship between the differential phase shift Δ S (normalized to 2 φ F ) and twice the Faraday phase shift φ F , 2 φ F = 2 VNI, with parallel fast axes of the phase delay elements (χ = 0 °) and ε = 13 °, for different angles Δα = Δα ';
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.The reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of references summarized. in principle In the figures, like parts are given the same reference numerals. The described embodiments are exemplary of the subject invention and have no restrictive effect.
Figur 1 zeigt schematisch einen Teil eines Sensorkopfes
1 für einen optischen Strom- oder Magnetfeldsensor. Ein erstes Lichtleitungselement
11, das als eine polarisationserhaltende optische Faser mit elliptischem
Kernquerschnitt ausgebildet ist, ist mit einem ersten Ende 131 eines
ersten Phasenverzögerungselementes 13 optisch verbunden, d.h. Lichtwellen
können von dem Lichtleitungselement 11 in das erste Ende 131 des
ersten Phasenverzögerungselementes 13 eingekoppelt werden und umgekehrt.
Als erstes Phasenverzögerungselement 13 wird ein Stück Faser mit elliptischem
Kernquerschnitt eingesetzt, dessen Länge derart gewählt ist, dass
sein Phasenverzögerungswinkel ρ = 90° + ε mit einem Winkel ε ≠ 0° beträgt.
Aus der eingangs genannten EP 1 115 000
ist bekannt, dass eine geschickte
Wahl des Winkels ε zu einer Verbesserung der Temperaturstabilität eines optischen
Stromsensors führen kann. Ein zweites Ende 132 des ersten Phasenverzögerungselementes
13 ist mit einem Sensorelement 15 optisch verbunden,
bei welchem es sich vorzugsweise um eine magnetooptisch aktive Faser
mit rundem Kernquerschnitt handelt.FIG. 1 shows schematically a part of a
In den drei Graphiken im oberen Teil von Figur 1 sind Lichtwellen 3,4x,4y,6,
die sich in den drei genannten Fasersegmenten 11,13,15 ausbreiten, sowie
bevorzugte Kernquerschnitte und Hauptachsen x,x',y,y' schematisch dargestellt.
Die Lichtwellen werden durch dicke Pfeile dargestellt, die die E-Feld-Vektoren
der Lichtwellen symbolisieren sollen. In dem ersten Lichtleitungselement
11 breiten sich erste linear polarisierte Lichtwellen 3 aus, die in diesem
Fall eine Polarisationsachse y' aufweisen, welche mit der langsamen,
langen Hauptachse y' des ersten Lichtleitungselementes 11 zusammenfällt.
Die Hauptachse y' des ersten Lichtleitungselementes 11 schliesst mit einer
Hauptachse y des ersten Phasenverzögerungselementes 13 einen Winkel von
45° + Δα ein, wobei Δα ≠ 0° ein Winkel ist, der in Abhängigkeit von dem
Winkel ε gewählt wird. Beim Eintritt der ersten linear polarisierten Lichtwellen
3 in das erste Phasenverzögerungselement 13 werden diese zu zweiten
linear polarisierten Lichtwellen 4, umfassend zweite linear polarisierte Lichtwellen
4x und zweite linear polarisierte Lichtwellen 4y, deren Polarisationsachsen
entlang der beiden Hauptachsen x,y des ersten Phasenverzögerungselementes
13 liegen.In the three graphs in the upper part of Figure 1 are
Die zwei Graphiken im unteren Teil von Figur 1 stellen die zweiten linear polarisierten
Lichtwellen 4 in dem ersten Phasenverzögerungselement 13
schematisch dar. Am ersten Ende 131 des ersten Phasenverzögerungselementes
13 sind die entlang der langsamen Hauptachse y des ersten Phasenverzögerungselementes
13 polarisierten zweiten linear polarisierten Lichtwellen
4y mit den entlang der schnellen Hauptachse x des ersten Phasenverzögerungselementes
13 polarisierten zweiten linear polarisierten Lichtwellen
4x in Phase. Nach Durchlaufen des ersten Phasenverzögerungselementes
13 entlang der Ausbreitungsrichtung z hat sich an dem zweiten Ende 132
des ersten Phasenverzögerungselementes 13 zwischen den Lichtwellen 4x
und den Lichtwellen 4y der Phasenunterschied ρ = 90° + ε akkumuliert.The two graphs in the lower part of Figure 1 schematically illustrate the second linearly polarized
Durch die Einkopplung der zweiten linear polarisierten Lichtwellen 4 in das
Sensorelement 15 an dem zweiten Ende 132 des Phasenverzögerungselementes
13 entstehen dort elliptisch polarisierte Lichtwellen 6, die sich dann
in dem Sensorelement 15 ausbreiten.By the coupling of the second linearly polarized
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemässen Strom- oder Magnetfeldsensor, der
eine Sagnac-Konfiguration aufweist. Auf den grundsätzlichen Aufbau und
auf die Funktionsweise des Sensors wird hier nicht in Detail eingegangen.
Dem eingangs zitierten Stand der Technik können entsprechende Informationen
entnommen werden. Neben dem Sensorkopf 1 verfügt der Strom- oder
Magnetfeldsensor noch über eine Sende-Auswerte-Einheit 2. Diese umfasst
im dargestellten Beispiel eine Lichtquelle 20, einen Faserkoppler 21, einen
Faserpolarisator 22, einen zweiten Faserkoppler 24 und einen Phasenmodulator
25, sowie einen Detektor 26, einen Signalprozessor 27 und eine Messwert-Ausgabe
28. Die Sende-Auswerte-Einheit 2 dient der Erzeugung und
Detektion von Licht sowie der Auswertung und Ausgabe von Messdaten.FIG. 2 shows a current or magnetic field sensor according to the invention
has a Sagnac configuration. On the basic structure and
on the operation of the sensor will not be discussed in detail here.
The cited prior art can provide appropriate information
be removed. In addition to the
In Figur 3 sind die Ausbreitungsrichtungen der im Betrieb des in Figur 2 gezeigten
Strom- oder Magnetfeldsensors im Sensorkopf 1 ausbreitungsfähigen
Lichtwellen dargestellt. Die offenen Pfeile über den Bezugszeichen geben
die Ausbreitungsrichtung an. In Figur 2 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur wenige der Lichtwellen und Ausbreitungsrichtungen dargestellt.
Für die folgenden Erläuterungen wird auf die Figuren 2 und 3 verwiesen.In FIG. 3, the directions of propagation are those of the operation shown in FIG
Current or magnetic field sensor in the
Über das erste Lichtleitungselement 11 und ein zweites Lichtleitungselement
12 oder entprechende Verlängerungen oder Verbindungen ist die Sende-Auswerte-Einheit
2 mit dem Sensorkopf 1 verbunden. Letzterer weist neben
dem ersten Phasenverzögerungselement 13 noch ein zweites Phasenverzögerungselement
14 auf, welches analog zu dem ersten Phasenverzögerungselement
13 an einem ersten Ende 141 mit dem zweiten Lichtleitungselement
12 optisch verbunden ist, und an einem zweiten Ende 142 mit einem
zweiten Ende des Sensorelements 15 optisch verbunden ist. Das Sensorelement
15 ist als magnetooptisch aktive Faser ausgebildet, die spulenförmig
einen Stromleiter S umschliesst. Die Lichtleitungselemente 11 und 12
sind als polarisationserhaltende Fasern mit elliptischem Kernquerschnitt
ausgebildet.Via the first light-conducting
In der Sende-Auswerte-Einheit 2 wird linear polarisiertes Licht erzeugt, aus
welchen dann in den beiden Lichtleitungselementen 11 und 12 die ersten linear
polarisierten Lichtwellen 3 bzw. 3' werden. Die Graphiken in der Mitte
der Figur 2 symbolisieren diese Lichtwellen 3,3' als dicke Pfeile. Die offenen
Pfeile geben die Ausbreitungsrichtung der Lichtwellen 3,3' an.In the transmitter-
Die ersten linear polarisierten Lichtwellen 3 aus dem ersten Lichtleitungselement
11 werden, wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, mittels
des (ersten) Phasenverzögerungselements 13 in elliptisch polarisierte Lichtwellen
6 umgewandelt, die dann in dem Sensorelement 15 propagieren. Dabei
schliesst eine Hauptachse des ersten Lichtleitungselements 11 mit einer
Hauptachse des ersten Phasenverzögerungselementes 13 den genannten
Winkel 45° + Δα ein, und der Phasenverzögerungswinkel ρ des ersten Phasenverzögerungselementes
13 beträgt die genannten ρ = 90° + ε.The first linearly polarized
Wird der Stromleiter S von einem elektrischen Strom I durchflossen, so erfahren
die elliptisch polarisierten Lichtwellen 6 durch den Faraday-Effekt eine
magnetooptisch induzierte Phasenverschiebung. Nach Durchlaufen der
Sensorfaser koppeln die elliptisch polarisierten Lichtwellen 6 in das zweite
Ende 142 des zweiten Phasenverzögerungselementes 14 ein, in welchem sie
in dritte linear polarisierte Lichtwellen 5, umfassend linear polarisierte Lichtwellen
5x und 5y, umgewandelt werden. Diese dritten linear polarisierten
Lichtwellen 5 regen in dem zweiten Lichtleitungselement 12 vierte linear polarisierte
Lichtwellen 5a an, welche dann über das zweite Lichtleitungselement
12 der Sende-Auswerte-Einheit 2 zugeführt werden. Dort werden die
Lichtwellen detektiert. Dritte Lichtwellen 5a, deren Polarisationsachse senkrecht
zu der Polarisationsachse der ersten linear polarisierten Lichtwellen 3
ausgerichtet sind, können in dem Faserpolarisator 22 blockiert werden, so
dass sie nicht detektiert werden.If the current conductor S is traversed by an electric current I, the elliptically polarized
Analog verhält es sich mit den ersten linear polarisierten Lichtwellen 3' in
dem zweiten Lichtleitungselement 12. Die daraus entstehenden Lichtwellen
sind mit gestrichenen Bezugszeichen versehen. Die ersten linear polarisierten
Lichtwellen 3' werden mittels des zweiten Phasenverzögerungselements
14 in elliptisch polarisierte Lichtwellen 6' umgewandelt, die dann in
dem Sensorelement 15 propagieren, und zwar mit einer Propagationsrichtung,
die der der elliptisch polarisierten Lichtwellen 6 entgegengesetzt ist.
Dabei schliesst eine Hauptachse des zweiten Lichtleitungselements 12 mit
einer Hauptachse des zweiten Phasenverzögerungselementes 14 einen Winkel
45° + Δα' ein, mit einem Winkel Δα', für den 0° ≤ Δα' < 45° gilt. Das
zweite Phasenverzögerungselement 14 weist einen Phasenverzögerungswinkel
ρ' auf der um einen Winkel ε' von 90° verschieden ist, das heisst
ρ' = 90° + ε'. Es gilt ε' ≠ 0°.The same applies to the first linearly polarized light waves 3 'in
the second
Ein Magnetfeld, das aufgrund eines in dem Stromleiter S fliessenden elektrischen
Stroms I entsteht, verursacht über den Faraday-Effekt eine magnetooptisch
induzierte Phasenverschiebung der elliptisch polarisierten Lichtwellen
6'. Nach Durchlaufen des Sensorelements 15 koppeln die elliptisch polarisierten
Lichtwellen 6' in das zweite Ende 132 des ersten Phasenverzögerungselementes
13 ein. Es werden dritte linear polarisierte Lichtwellen 5'
erzeugt, welche dritte linear polarisierte Lichtwellen 5x' und 5y' umfassen,
und es findet eine Phasenverschiebung um 90° + ε zwischen diesen dritten
linear polarisierten Lichtwellen 5x' und 5y' statt. Danach entstehen an dem
ersten Ende 131 des ersten Phasenverzögerungselementes 13 vierte linear
polarisierte Lichtwellen 5a', die dann über das erste Lichtleitungselement 11
der Sende-Auswerte-Einheit 2 zugeführt werden. In dieser werden die Lichtwellen
detektiert, und die magnetooptisch induzierte Phasenverschiebung
wird bestimmt. Dritte Lichtwellen 5a', deren Polarisationsachse senkrecht zu
der Polarisationsachse der ersten linear polarisierten Lichtwellen 3' ausgerichtet
sind, können in dem Faserpolarisator 22 blockiert werden, so dass sie
nicht detektiert werden. Die magnetooptisch induzierte Phasenverschiebung
aus den elliptisch polarisierten Lichtwellen 6 oder die aus den in dem Sensorelement
15 sich gegenläufig ausbreitenden elliptisch polarisierten Lichtwellen
6' kann als ein unmittelbares Mess-Signal zur Bestimmung des
elektrischen Stroms I dienen. Die Bezeichnung "unmittelbares" Mess-Signal
soll bedeuten, dass keine Signal-Aufbereitung stattgefunden hat, um aus
dem Mess-Signal ein mindesten annähernd zum elektrischen Strom I proportionales
Signal zu erzeugen.A magnetic field, which arises due to an electric current I flowing in the current conductor S, causes a magneto-optically induced phase shift of the elliptically polarized light waves 6 'via the Faraday effect. After passing through the
Zur einfachen Bestimmung der magnetooptisch induzierten Phasenverschiebung
wird in einem Sensor in Sagnac-Konfiguration vorzugsweise das Signal
der einen elliptisch polarisierten Lichtwellen 6 als Referenz-Signal für die
anderen gegenläufigen elliptisch polarisierten Lichtwellen 6' benutzt. Als
unmittelbares Mess-Signal wird dann eine differentielle Phasenverschiebung
ΔΦS der beiden elliptisch polarisierten Lichtwellen 6 und 6' genommen. Dieses
unmittelbare Mess-Signal ist genau doppelt so gross wie die magnetooptisch
induzierte Phasenverschiebung, die jede der elliptisch polarisierten
Lichtwellen 6 und 6' einzeln erfährt. In dem aus EP 0 856 737 A1 bekannten
Fall ε = 0°, ε' = 0°, Δα = 0°, Δα' = 0° beläuft sich dieses unmittelbare Mess-Signal
dann auf das Doppelte der Faraday-Phasenverschiebung ϕF, 2ϕF =
2 V N I, und ist somit proportional zu dem elektrischen Strom I.For easy determination of the magneto-optically induced phase shift, the signal of one elliptically
Wenn, wie in der genannten EP 1 115 000, ε ≠ 0° und ε' ≠ 0° ist, aber
Δα = 0° und Δα' = 0°, so ist der Zusammenhang zwischen dem unmittelbaren
Mess-Signal und dem elektrischen Strom I nicht mehr linear. Beschreibt
man die Propagation der elliptisch polarisierten Lichtwellen 6,6' mit Hilfe
von Jones-Matrizen und leitet man ihre differentielle Phasenverschiebung
ΔS aus den komplexen Amplituden der beiden im Detektor 26 in der
Sende-Auswerte-Einheit 2 miteinander interferierenden Lichtwellen ab, so
erhält man für das unmittelbare Mess-Signal ΔS
Dabei ist χ der Winkel zwischen den schnellen Achsen der beiden Phasenverzögerungselemente
13 und 14. Für den Spezialfall χ = 0° und ε = ε' ergibt
dies für kleine Faraday-Phasenverschiebungen ϕF näherungsweise ΔS =
2ϕF/cosε, was für kleine Winkel ε als ΔS = 2ϕF (1 +ε2/2) genähert werden
kann. Für den Spezialfall χ = 90° und ε = ε' ergibt dies für kleine
ϕF näherungsweise ΔS = 2ϕFcosε, was für kleine Winkel ε als ΔS =
2ϕF (1-ε2/2) genähert werden kann.In this case, χ is the angle between the fast axes of the two
Für ε = ε' = 13° und χ = 0° beträgt die relative Abweichnung von der Linearität
des Verhältnisses zwischen dem unmittelbaren Mess-Signal ΔS und dem
zu messenden elektrischen Strom I etwa -0.21% bei 2ϕF = 40° und -0.92% bei
2ϕF = 90°. So weit wurde noch Δα = 0° und Δα' = 0° angenommen, d.h. die
Hauptachsen der Lichtleitungselemente 11 und 12 schliessen mit den
Hauptachsen der Phasenverzögerungselemente 13 beziehungsweise 14 jeweils
einen Winkel von genau 45° ein.For ε = ε '= 13 ° and χ = 0 °, the relative deviation from the linearity of the ratio between the instantaneous measurement signal Δ S and the electric current I to be measured is approximately -0.21% at 2φ F = 40 ° and 0.92% at 2φ F = 90 °. So far, Δα = 0 ° and Δα '= 0 ° were assumed, ie the main axes of the light-conducting
Wenn, entsprechend dem erfindungsgemässen Fall, ε,ε' ≠ 0° ist, und zusätzlich
Δα ≠ 0° und/oder Δα' ≠ 0° gewählt wird, so lautet der Zusammenhang zwischen
dem unmittelbaren Mess-Signal ΔS und der zum elektrischen Strom I
proportionalen Faraday-Phasenverschiebung ϕF
Durch die Wahl der Winkel Δα und Δα' kann also, wie auch in Fig. 6 gezeigt ersichtlich, das nicht-lineare Verhältnis zwischen dem unmittelbaren Mess-Signal ΔS und dem elektrischen Strom 1 beeinflusst werden, so dass die Nichtlinearität verringert wird. Eine geschickte Wahl der Winkel Δα und Δα' in Abhängigkeit von den Winkeln ε und ε' erlaubt es, diese aus ε ≠ 0° und ε' ≠ 0° resultierende Nichtlinearität mindestens annähernd zu kompensieren. Dann liegt ein mindestens annähernd lineares Verhältnis zwischen dem unmittelbaren Mess-Signal ΔS und dem elektrischen Strom I vor. Im allgemeinen lässt sich die Nichtlinearität um mindestens eine halbe Grössenordnung, also einen Faktor 3, verringern gegenüber dem Fall Δα = Δα' = 0°. Eine im mathematischen Sinne vollständige Kompensation der Nichtlinearität ist wegen der Unterschiedlichkeit der funktionalen Zusammenhänge für die Winkel ε, ε' und für die Winkel Δα, Δα' nicht möglich. Aber die Nichtlinearität kann so weit reduziert und kompensiert werden, dass sie für die Praxis bedeutungslos ist.Can be obtained by the choice of the angles Δα and Δα 'Thus, as in Fig. 6 can be seen, the non-linear relationship between the direct measurement signal Δ S and the electric current 1 are influenced so that the non-linearity is reduced. A clever choice of the angles Δα and Δα 'as a function of the angles ε and ε' makes it possible to compensate at least approximately for these nonlinearities resulting from ε ≠ 0 ° and ε '≠ 0 °. Then there is an at least approximately linear relationship between the direct measurement signal Δ S and the electric current I. In general, the non-linearity can be reduced by at least half a magnitude, ie a factor of 3, compared to the case Δα = Δα '= 0 °. A mathematically complete compensation of the nonlinearity is not possible because of the difference in the functional relationships for the angles ε, ε 'and for the angles Δα, Δα'. But nonlinearity can be reduced and compensated for enough to make it meaningless in practice.
Der obigen Gleichung kann entnommen werden, dass die Vorzeichen der
Winkel Δα und Δα' unerheblich sind, da sie sich bezüglich dieser Vorzeichen
symmetrisch verhält. Nur die Beträge der Winkel Δα und Δα' sind von
Bedeutung. Ein Beispiel, wie die Winkel für eine mindestens annähernde
Kompensation berechnet werden, wird im folgenden für eine Sensor-Konfiguration
gegeben, bei welcher die schnellen Achsen der Phasenverzögerungselemente
13,14 parallel zueinander ausgerichtet sind, also χ=0°.From the above equation it can be seen that the signs of the
Angle .DELTA..alpha. And .DELTA..alpha. 'Are insignificant, since they relate to these signs
behaves symmetrically. Only the magnitudes of the angles Δα and Δα 'are of
Importance. An example of how the angles are at least approximate
Compensation will be calculated below for a sensor configuration
given where the fast axes of the
Figur 4 gibt für χ=0°, Δα = Δα' = 0° und verschiedene Winkel ε = ε' den gemäss obiger Gleichung berechneten Zusammenhang zwischen dem unmittelbaren Mess-Signal ΔS und dem Zweifachen des Faraday-Phasenverzögerungswinkels, 2ΔϕF, an. ΔS ist dabei auf 2ϕF normiert.FIG. 4 indicates for χ = 0 °, Δα = Δα '= 0 ° and different angles ε = ε' the relation between the direct measurement signal Δ S and twice the Faraday phase delay angle, 2Δφ F , calculated according to the above equation , Δ S is normalized to 2φ F.
Deutlich ist zu erkennen, dass die Nichtlinearität für grössere Winkel ε zunimmt.
Die Grösse der Nichtlinearitäten liegt im Promille- bis Prozentbereich.
Für ε = 13° beträgt die relative Nichtlinearität -0.21% bei 2ϕF = 40° und
-0.92% bei 2ϕF = 90°. Diese Nichtlinearitäten berechnet man gemäss
Figur 5 gibt für den Fall ε = ε' = 0° für verschiedene Winkel Δα = Δα' den gemäss obiger Gleichung für χ=0° berechneten Zusammenhang zwischen dem unmittelbaren Mess-Signal ΔS und dem Zweifachen des Faraday-Phasenverzögerungswinkels, 2ΔS, an. ΔS ist dabei auf 2ϕF normiert. Deutlich ist zu erkennen, dass die Nichtlinearität für grössere Winkel Δα zunimmt. Die Grösse der Nichtlinearitäten liegt im Promille-Bereich. Es fällt auf, dass die Krümmung der Kurven in Figur 5 der Krümmung der Kurven in Figur 4 entgegengesetzt ist. Dies eröffnet die Möglichkeit der genannten erfindungsgemässen Kompensation von auf ε ≠ 0° und/oder ε' ≠ 0° zurückzuführenden Nichtlinearitäten durch geschickte Wahl der Winkel Δα, Δα'.FIG. 5 shows, for the case ε = ε '= 0 ° for different angles Δα = Δα', the relationship between the direct measurement signal Δ S and twice the Faraday phase delay angle, 2Δ, calculated in accordance with the above equation for χ = 0 ° S , on. Δ S is normalized to 2φ F. It can be clearly seen that the nonlinearity increases for larger angles Δα. The size of the nonlinearities is in the per thousand range. It is noticeable that the curvature of the curves in FIG. 5 is opposite to the curvature of the curves in FIG. This opens up the possibility of said inventive compensation of nonlinearities attributable to ε ≠ 0 ° and / or ε '≠ 0 ° by clever choice of the angles Δα, Δα'.
Figur 6 gibt für den Fall ε = ε' = 13° und χ=0° für verschiedene Winkel Δα = Δα' den gemäss obiger Gleichung berechneten Zusammenhang zwischen dem unmittelbaren Mess-Signal ΔS und dem Zweifachen des Faraday-Phasenverzögerungswinkels, 2ΔS, an. ΔS ist dabei auf 2ϕF normiert. Deutlich ist zu erkennen, dass für Winkel Δα um 5.85° die auf ε ≠ 0° zurückzuführende Nichtlinearität mindestens annähernd kompensiert ist. Auf diese Weise kann der erfindungsgemässe Winkel Δα graphisch ermittelt werden. FIG. 6 shows, for the case ε = ε '= 13 ° and χ = 0 ° for different angles Δα = Δα', the relationship between the direct measurement signal Δ S and twice the Faraday phase delay angle, 2Δ, calculated according to the above equation S , on. Δ S is normalized to 2φ F. It can be clearly seen that for angles Δα of 5.85 °, the nonlinearity attributable to ε ≠ 0 ° is at least approximately compensated. In this way, the inventive angle Δα can be determined graphically.
Eine Berechnung von Δα in Abhängigkeit von ε ist aber zu bevorzugen. Bei einem gegebenen Phasenverzögerungswinkel ρ=ρ', also einem gegebenen Winkel ε=ε', lässt sich der erfindungsgemässe Winkel Δα=Δα' wie folgt mit Hilfe der oben angegebenen Gleichung berechnen:However, a calculation of Δα as a function of ε is to be preferred. at a given phase delay angle ρ = ρ ', that is a given Angle ε = ε ', the inventive angle Δα = Δα' can be as follows Help calculate the equation given above:
In der Praxis soll die Funktion ΔS(ε=ε', Δα=Δα', ϕF)/2ϕF insbesondere für
Werte von 2ϕF zwischen 0° und 90° unabhängig von 2ϕF sein. Der dafür zu
wählende Winkel Δα = Δα' ergibt sich aus
Diese Gleichung kann man numerisch lösen. Alternativ erhält man für χ = 0°
und kleine Winkel ε auch den folgenden analytischen Ausdruck:
Terme höherer Ordnung sind hier weggelassen. Hieraus ergibt sich als Näherungslösung
für Δα = Δα'
Für ε = 13° findet man mittels dieser Gleichung Δα = ±5.85° (vergleiche auch
Figur 6). In diesem Fall variiert das Verhältnis ΔS/2ϕF zwischen 2ϕF=0° und
2ϕF=90° um weniger als 0.02%. Es variiert also um fast einen Faktor 50 und
somit um mehr als anderthalb Grössenordnungen weniger ist als die oben
genannten 0.92% im Falle Δα = Δα' = 0°. Falls eine noch weitergehende Linearisierung
erwünscht wird, so kann mittels eines iterativen Verfahrens diese
Variation in einem vorgegebenen Wertebereich der Variablen 2ϕF, zum
Beispiel zwischen 2ϕF = 0° und 2ϕF = 90°, minimiert werden. Für ε =13° erhält
man dann Δα = ±5.9° als optimalen Winkel. Das Vorgehen im Falle eines
Sensors mit χ ≠ 0° ist völlig analog. Von besonderem Interesse ist der Fall
orthogonal zueinander ausgerichteter schneller Achsen der Phasenverzögerungselemente
13,14, also χ = 90°. Für χ = 90° ergibt sich bei sonst unveränderten
Parametern für eine optimale Kompensation der Nichtlinearitäten
Δα = Δα' = ±6.8°.For ε = 13 °, this equation yields Δα = ± 5.85 ° (see also FIG. 6). In this case, the ratio Δ S / 2φ F between 2φ F = 0 ° and 2φ F = 90 ° varies by less than 0.02%. It therefore varies by almost a factor of 50 and thus is more than one and a half orders of magnitude less than the above-mentioned 0.92% in the case of Δα = Δα '= 0 °. If an even more extensive linearization is desired, then this variation can be minimized by means of an iterative method in a predetermined value range of the variable 2φ F , for example between 2φ F = 0 ° and 2φ F = 90 °. For ε = 13 °, one then obtains Δα = ± 5.9 ° as the optimum angle. The procedure in the case of a sensor with χ ≠ 0 ° is completely analog. Of particular interest is the case of orthogonal aligned fast axes of the
Neben den im Zusammenhang mit der Figur 2 diskutierten Ausführungsbeispielen
sind zahlreiche andere Varianten möglich. Die Lichtleitungselemente
11, 12 können auch als andere Typen polariationserhaltender optischer
Fasern ausgebildet sein, wie beispielsweise sogenannten Panda-Fasern,
Bowtie-Fasern oder Fasern mit einem zusätzlichen, inneren, elliptischen
Cladding (Fasermantel). Alternativ ist auch denkbar, die ersten linear polarisierten
Lichtwellen 3,3' direkt oder mittels einer Linse oder einer optischen
Baugruppe in die Phasenverzögerungselemente 13,14 einzuleiten. Dann wären
die Lichtleitungselemente 11,12 Luft oder Vakuum, oder die Linse oder
die optische Baugruppe. Als Hauptachsen der Lichtleitungselemente 11,12
werden stets die Achsen bezeichnet, die durch die Polarisationsvektoren der
ersten linear polarisierten Lichtwellen 3,3' gegeben sind.In addition to the discussed in connection with Figure 2 embodiments
Many other variants are possible. The
Die optischen Verbindungen zwischen den Phasenverzögerungselementen
13,14 und den Lichtleitungselementen 11,12 beziehungsweise dem Sensorelement
15 können direkte Verbindungen sein, wie sie beispielsweise
durch Zusammenschweissen mittels eines sogenannten Splice-Geräts erstellt
werden. Oder es sind Verbindungen über ein Zwischenmedium, beispielsweise
ein Gel, Klebstoff oder ein Faserstück oder eine optische Baugruppe.
Oder die Einkopplung von Lichtwellen findet durch ein Vakuum oder durch
ein Gas statt. The optical connections between the
Die Phasenverzögerungselemente 13,14 können optische Faserstücke sein
mit geometrisch induzierter Doppelbrechung, zum Beispiel durch einen elliptischen
Kern, oder mit spannungsinduzierter Doppelbrechung, wie beispielsweise
Bowtie- oder Panda-Fasern oder Fasern mit einem innerem elliptischen
Mantel. Sie können auch als Schlaufen gewöhnlicher Einmoden-Fasern
mit rundem Kern ausgebildet sein. Hier wird die Phasenverzögerung
über die Doppelbrechung erzeugt, welche durch die Faserkrümmung hervorgerufen
wird. Weiterhin sind auch λ/4-Plättchen denkbar. Die Phasenverzögerungswinkel
ρ,ρ' können um Winkel ε,ε' von einem beliebigen ungeradzahligen
Vielfachen von 90° abweichen. Die Winkel ε,ε' sind vorzugsweise
dadurch vorgegeben, dass sie gerade so gross sind, dass die Temperaturabhängigkeit
der Verdet-Konstanten des Sensorelementes 15 durch die Temperaturabhängigkeit
der Phasenverzögerungselemente 13,14 kompensiert
wird. Dies kann positive wie auch negative Winkel ε,ε' zur Folge haben.The
Die Winkel ε und ε' können verschieden gross sein. Weiterhin gibt es für einen gegebenen Winkel χ im allgemeinen viele verschiedene Paare von Winkeln Δα, Δα', die zu einer mindestens annähernden Kompensation der aus ε ≠ 0° und/oder ε' ≠ 0° resultierenden Nichtlinearitäten führen. Trotzdem ist die Wahl von Δα dann noch abhängig von ε, aber Δα hängt dann zusätzlich von ε' und Δα' sowie von χ ab. Man kann auch sagen, dass Δα und Δα' in Abhängigkeit von mindestens den Winkeln ε und ε' gewählt werden. Der Winkel χ kommt noch als Einflussgrösse hinzu.The angles ε and ε 'can be of different sizes. There is still one for you given angle χ in general many different pairs of angles Δα, Δα ', which leads to an at least approximate compensation of ε ≠ 0 ° and / or ε '≠ 0 ° resulting nonlinearities. Nevertheless, it is the choice of Δα then still depends on ε, but Δα then depends in addition from ε 'and Δα' and from χ. One can also say that Δα and Δα 'in Depending on at least the angles ε and ε 'are selected. Of the Angle χ is still added as an influence.
Das Sensorelement 15 kann, wie oben angegeben spulenförmig,
vorzugsweise in mehreren Windungen, den Stromleiter S umfassen. Es sind
aber auch Bruchteile einer Windung möglich, und es können auch anders gekrümmte
oder ungekrümmte Sensorelemente 15 eingesetzt werden. Vorzugsweise
besteht das Sensorelement 15 aus einer optischen Faser, die frei
von mechanischen Spannungen ist, wie es in EP 0 856 737 A1 beschrieben
ist. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz einer solchen spannungsfreien Sensorfaser
15 zusammen mit einem temperaturabhängigkeitskompensierenden
Phasenverzögerungselement 13, 14, wie es in EP 1 115 000 beschrieben ist.
Ein derartiger erfindungsgemässer Strom- oder Magnetfeldsensor weist
praktisch keine Temperaturabhängigkeit auf, hat aber ein lineares Verhältnis
zwischen einem zu messenden Strom I und dem unmittelbaren Mess-Signal
ΔΦS.The
Ausser magnetooptisch aktiven Fasern sind auch massive Gläser oder magnetooptische
Kristalle, wie beispielsweise Yttrium-Eisen-Granat, Y3 Fe5 O12,
als Sensorelement 15 einsetzbar. Speziell, wenn der Strom- oder Magnetfeldsensor
zur lokalen Messung von Magnetfeldern eingesetzt wird, sind
diese Varianten vorteilhaft. Das Sensorelement 15 muss mit dem zu messenden
Magnetfeld wirkverbunden sein, vorzugsweise an einem Ort, an dem
das Magnetfeld gross ist, so dass die elliptisch polarisierten Lichtwellen 6,6'
aufgrund des Magnetfeldes eine möglichst grosse magnetooptisch induzierte
Phasenverschiebung erfahren. Es ist fernerhin auch möglich, mehrere Sensorelemente
15 in einem Sensorkopf 1 einzusetzen.In addition to magneto-optically active fibers and solid glasses or magneto-optical crystals, such as yttrium-iron garnet, Y 3 Fe 5 O 12 , can be used as a
Für die Winkel ε, ε' und Δα, Δα' gelten die Bedingungen 0° < ε, ε' < 90° und
0° < Δα,Δα' < 45°, wobei gegebenenfalls auch Δα' = 0° und/oder ε' = 0 sein
kann. Da, wie oben dargelegt, das Vorzeichen von Δα keine Rolle spielt,
kann man sich auf positive Δα beschränken. Werden ε, ε' für die oben genannte
Temperaturkompensation gewählt, so ergeben sich aufgrund der
heute erhältlichen Fasermaterialien Werte von bis zu etwa 20° für ε, ε' bei
ε = ε' und χ = 0° oder χ = 90°. Somit kommen vorzugsweise Winkel ε kleiner
als etwa 30° vor. Für solche ε ergeben sich Winkel Δα von bis zu etwa 10°.
Wie oben erwähnt, ist es bei Δα ≠ Δα' möglich, verschiedene Paare
Δα,Δα' erfindungsgemäss zu wählen, so dass bei ε ≈ 30° auch erfindungsgemässe
Winkel Δα grösser als 10° möglich sind.For the angles ε, ε 'and Δα, Δα' the
Als Sende-Auswerte-Einheit 2 sind interferometrisch wie auch polarimetrisch
detektierende Varianten möglich. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene
Möglichkeiten zur Auswertung der unmittelbaren Mess-Signale bekannt.
In dem Beispiel aus Figur 2 wurden jeweils die einen elliptisch polarisierten
Lichtwellen 6 als Referenzsignal für die anderen elliptisch polarisierten
Lichtwellen 6' genutzt, wobei beide dem Einfluss des elektrischen
Stroms I oder des Magnetfeldes ausgesetzt waren. Es ist aber auch möglich,
die magnetooptisch induzierte Phasenverschiebung zu messen, ohne voneinander
verschiedene elliptisch polarisierte Lichtwellen 6 und 6' einzusetzen.
Beispielsweise können innerhalb der Sende-Auswerte-Einheit 2 linear
polarisierte Lichtwellen erzeugt werden, die keine magnetooptisch induzierte
Phasenverschiebung erleiden, und gegenüber denen sich die magnetooptisch
induzierten Phasenverschiebungen der elliptisch polarisierten Lichtwellen
6 oder 6' bestimmen lassen.As transmitter-
Als Lichtquelle 20 wird typischerweise eine niederkohärente Halbleiterquelle
eingesetzt, wie beispielsweise eine Superluminiszenzdiode, eine Multimode-Laserdiode,
eine unterhalb der Laserschwelle betriebene Laserdiode, oder
eine Luminiszenzdiode (LED), vorzugsweise mit Wellenlängen um etwa
800 nm, 1300 nm oder 1550 nm. Aber verschiedenste Wellenlängen, zum
Beispiel aus dem ultravioletten, dem sichtbaren oder dem infraroten Bereich
sind einsetzbar.As the
Bei der Herstellung eines Sensorkopfes werden also die Winkel Δα,Δα' in Abhängigkeit von den Winkeln ε,ε' derart gewählt, dass die genannten Nichtlinearitäten deutlich verringert oder sogar mindestens annähernd kompensiert werden. Dies kann beispielsweise in einer der oben beschriebenen Arten geschehen. Man kann darum auch von einem definierten Winkel Δα sprechen, der erfindungsgemäss gewählt wird. Dies grenzt ihn klar von zufällig zustandekommenden, beispielsweise toleranzbedingten Winkeln Δα ab, die vorzugsweise so klein wie möglich, also etwa 0° sind. Bei der Durchführung der Erfindung ist es unerheblich, ob, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen, ein vom optimalen Winkel Δα leicht abweichender Winkel realisiert wird. Wesentlich ist, dass ein definierter Winkel Δα unter der Massgabe gewählt wird, die genannten Nichtlinearitäten zu verringern, und dass ein entsprechendes Ergebnis erzielt wird. In the manufacture of a sensor head so are the Angle Δα, Δα 'as a function of the angles ε, ε' in such a way chosen that the nonlinearities mentioned significantly reduced or even be compensated at least approximately. This can be, for example done in one of the ways described above. You can therefore also speak of a defined angle Δα, selected according to the invention becomes. This clearly borders him on chance, for example Tolerance-related angles Δα, preferably as small as possible, ie are about 0 °. In carrying out the invention, it is irrelevant whether for example due to manufacturing tolerances, one of the optimum angle Δα slightly different angle is realized. It is essential that one defined angle .DELTA..alpha. is chosen with the proviso that said Reduce nonlinearities, and that a corresponding result is achieved.
- 11
- Sensorkopfsensor head
- 1111
- erstes Lichtleitungselementfirst light pipe element
- 1212
- zweites Lichtleitungselementsecond light pipe element
- 1313
- erstes Phasenverzögerungselementfirst phase delay element
- 131131
- erstes Ende des ersten Phasenverzögerungselementsfirst end of the first phase delay element
- 132132
- zweites Ende des ersten Phasenverzögerungselementssecond end of the first phase delay element
- 1414
- zweites Phasenverzögerungselementsecond phase delay element
- 141141
- erstes Ende des zweiten Phasenverzögerungselementsfirst end of the second phase delay element
- 142142
- zweites Ende des zweiten Phasenverzögerungselementssecond end of the second phase delay element
- 1515
- Sensorelementsensor element
- 22
- Sende-Auswerte-EinheitTransmission evaluation unit
- 2020
- Lichtquellelight source
- 2121
- Faserkopplerfiber coupler
- 2222
- Faserpolarisatorfiber polarizer
- 2424
- zweiter Faserkopplersecond fiber coupler
- 2525
- Phasenmodulatorphase modulator
- 2626
- Detektordetector
- 2727
- Signalprozessorsignal processor
- 2828
- Messwert-AusgabeMeasured value output
- 3, 3'3, 3 '
- erste linear polarisierte Lichtwellenfirst linearly polarized light waves
- 4,4x,4y,4',4x',4y'4.4 x , 4 y , 4 ', 4 x ', 4 y '
- zweite linear polarisierte Lichtwellensecond linearly polarized light waves
- 5, 5'5, 5 '
- dritte linear polarisierte Lichtwellenthird linearly polarized light waves
- 5a, 5a'5a, 5a '
- vierte linear polarisierte Lichtwellenfourth linearly polarized light waves
- 6, 6'6, 6 '
- elliptisch polarisierte Lichtwellenelliptically polarized light waves
- II
- elektrischer Strom, Stromstärkeelectric current, amperage
- NN
- Anzahl WindungenNumber of turns
- SS
- Stromleiterconductor
- VV
- Verdet-KonstanteVerdet constant
- ΔαΔα
- Winkel, um den der Einkopplungswinkel in das (erste) Phasenverzögerungselement von 45° abweichtAngle by which the coupling angle into the (first) phase delay element deviates from 45 °
- Δα'Δα '
- Winkel, um den der Einkopplungswinkel in das (zweite) Phasenverzögerungselement von 45° abweichtAngle by which the coupling angle into the (second) phase delay element deviates from 45 °
- ΔS Δ S
- differentielle Phasenverschiebung bei Sagnac-Konfiguration, unmittelbares Mess-Signal bei Sagnac-Konfigurationdifferential phase shift in Sagnac configuration, immediate measurement signal with Sagnac configuration
- εε
- Winkel, um den der Phasenverzögerungswinkel ρ des (ersten) Phasenverzögerungselements von einem ungeradzahligen Vielfachen von 90° abweichtAngle by which the phase delay angle ρ of the (first) Phase delay element of an odd number Multiple deviates from 90 °
- ε'ε '
- Winkel, um den der Phasenverzögerungswinkel ρ' des (zweiten) Phasenverzögerungselements von einem ungeradzahligen Vielfachen von 90° abweichtAngle by which the phase delay angle ρ 'of the (second) Phase delay element of an odd number Multiple deviates from 90 °
- ϕF φ F
- Faraday-Phasenverschiebung, ϕF = V N IFaraday phase shift, φ F = VNI
- ρρ
- Phasenverzögerungswinkel des (ersten) PhasenverzögerungselementsPhase delay angle of the (first) phase delay element
- ρ'ρ '
- Phasenverzögerungswinkel des (zweiten) PhasenverzögerungselementsPhase delay angle of the (second) phase delay element
- χχ
- Winkelangle
Claims (11)
- Method for production of an optical current or magnetic field sensor, which comprises a transmission evaluation unit (2) and a sensor head (1), in which case the transmission evaluation unit (2) can produce light at a wavelength λ, and in which case the sensor head (1) comprises a first optical fibre element (11), a second optical fibre element (12), a first phase delay element (13), a second phase delay element (14) and a sensor element (15), in which case each of the two optical fibre elements (11, 12) each has at least one major axis (x', y'), in which case each of the two phase delay elements (13, 14) each has at least one major axis (x, y), and in which case elliptically polarized light waves (6; 6') can propagate in the sensor element (15) and are subjected to a magnetooptically induced phase shift as a result of an electric current or magnetic field to be measured,
with a first end (131) of the first phase delay element (13) being optically connected to the first optical fibre element (11), and a second end (132) of the first phase delay element (13) being optically connected to a first end of the sensor element (15),
with a first end (141) of the second phase delay element (14) being optically connected to the second optical fibre element (12), and a second end (142) of the second phase delay element (14) being optically connected to a second end of the sensor element (15),
with the transmission evaluation unit (2) being optically connected to the first optical fibre element (11) and to the second optical fibre element (12),
with the first phase delay element (13) being designed such that its phase delay angle p differs from an odd-numbered multiple of 90° by an angle ε where ε ≠ 0° and -90° < ε < 90°, and
with the second phase delay element (14) being designed such that its phase delay angle ρ' differs from an odd-numbered multiple of 90° by an angle ε' where ε' ≠ 0° and -90° < ε' < 90°, and
with the first optical fibre element (11) being arranged relative to the first phase delay element (13) such that the at least one major axis (x', y') of the first optical fibre element (11) includes an angle which differs from 45° by an angle Δα with the at least one major axis (x, y) of the first phase delay element (13),
characterized in that the angle Δα is defined by: 0° < Δα < 45° and in that the angle Δα is chosen as a function of at least the angles ε and ε' such that any non-linearities in the relationship between the magnetooptically induced phase shift of the elliptically polarized light waves (6; 6') and the electric current or magnetic field to be measured, which occur when the current or magnetic field is measured by means of the optical current or magnetic field sensor, are less than in the situation Δα = 0°. - Production method according to claim 1, characterized in that the angle Δα is chosen as a function of at least the angle ε such that the non-linearities in the relationship between the magnetooptically induced phase shift of the elliptically polarized light waves (6; 6') and the electric current or magnetic field to be measured, which occur when the current or magnetic field is measured by means of the optical current or magnetic field sensor, are reduced by a factor of at least 3 in comparison to the situation Δα = 0°.
- Production method according to Claim 1,
characterized in that phase delay elements (13, 14) are used which together have a temperature dependency which at least approximately compensates for any temperature dependency of a Verdet constant of the sensor element (15). - Production method according to Claim 3,
characterized in that the two phase delay elements (13, 14) are designed such that their phase delay angles p, p' are the same, and in that the second optical fibre element (12) is arranged relative to the second phase delay element (14) such that the at least one major axis (x', y') of the second optical fibre element (12) includes an angle which differs from 45° by an angle Δα', where 0° < Δα' < 45°, with the at least one major axis (x, y) of the second phase delay element (14), and
in that the angles Δα and Δα' are chosen to be the same. - Production method according to Claim 1,
characterized in that polarization-maintaining fibres are used as the optical fibre elements (11, 12), and in that these are connected to the phase delay elements (13, 14). - Production method according to Claim 1,
characterized in that a piece of fibre with an elliptical core is used as at least one of the two phase delay elements (13, 14) and is designed such that its phase delay angle ρ, ρ' differs from 90° by the angle ε, ε'. - Production method according to Claim 1,
characterized in that a sensor element (15) is used which can be arranged such that it has an electrical conductor (S) in the form of a coil. - Production method according to Claim 7,
characterized in that a magnetooptically active fibre which has a round core cross section and is virtually free of mechanical stresses is used as the sensor element (15). - Production method according to Claim 1,
characterized in that the magnitude of the angle ε is chosen to be less than 30°, and in that the angle Δα is chosen to be less than 10°. - Optical current or magnetic field sensor, comprising a transmission evaluation unit (2) and a sensor head (1), in which case the transmission evaluation unit (2) can produce light at a wavelength λ, and in which case the sensor head (1) comprises a first optical fibre element (11), a second optical fibre element (12), a first phase delay element (13), a second phase delay element (14) and a sensor element (15), in which case each of the two optical fibre elements (11, 12) each has at least one major axis (x', y'), in which case each of the two phase delay elements (13, 14) each has at least one major axis (x, y), and in which case elliptically polarized light waves (6; 6') can propagate in the sensor element (15) and are subjected to a magnetooptically induced phase shift as a result of an electric current or magnetic field to be measured, with a first end (131) of the first phase delay element (13) being optically connected to the first optical fibre element (11), and a second end (132) of the first phase delay element (13) being optically connected to a first end of the sensor element (15), with a first end (141) of the second phase delay element (14) being optically connected to the second optical fibre element (12), and a second end (142) of the second phase delay element (14) being optically connected to a second end of the sensor element (15), with the transmission evaluation unit (2) being optically connected to the first optical fibre element (11) and to the second optical fibre element (12),
with the first phase delay element (13) being designed such that its phase delay angle ρ differs from an odd-numbered multiple of 90° by an angle ε where ε ≠ 0° and -90° < ε < 90°, and with the second phase delay element (14) being designed such that its phase delay angle p' differs from an odd-numbered multiple of 90° by an angle ε' where ε' ≠ 0° and -90° < ε' < 90°, and
with the first optical fibre element (11) being arranged relative to the first phase delay element (13) such that the at least one major axis (x', y') of the first optical fibre element (11) includes an angle which differs from 45° by an angle Δα with the at least one major axis (x, y) of the first phase delay element (13),
characterized in that the angle Δα is defined by: 0° < Δα < 45° and in that the angle Δα is chosen as a function of at least the angles ε, ε' such that any non-linearities in the relationship between the magnetooptically induced phase shift of the elliptically polarized light waves (6; 6') and the electric current or magnetic field to be measured, which occur when the current or magnetic field is measured by means of the optical current or magnetic field sensor, are reduced by a factor of at least 3 in comparison to the situation Δα = 0°. - Method for measurement of an electric current or a magnetic field, with first linearly polarized light waves (3) being produced in a transmission evaluation unit (2) and being injected into a first end (131) of a first phase delay element (13),
with the first linearly polarized light waves (3) exciting second linearly polarized light waves (4; 4x, 4y) in the first phase delay element (13), which pass through the first phase delay element (13) and in consequence are subject to a phase shift through an angle ρ with respect to one another,
with the second linearly polarized light waves (4; 4x, 4y) stimulating elliptically polarized light waves (6) in a sensor element (15) whose first end is connected to a second end (132) of the first phase delay element (13), which elliptically polarized light waves (6) are subjected to a magnetooptically induced phase shift produced by the electric current (I) or the magnetic field,
with the elliptically polarized light waves (6) then being injected into a second phase delay element (14), whose second end (142) is connected to a second end of the sensor element (15),
with the elliptically polarized light waves (6) exciting third linearly polarized light waves (5; 5x, 5y) in the second phase delay element (14), which pass through the second phase delay element (14) and in consequence are subjected to a phase shift through an angle ρ' with respect to one another,
with the third linearly polarized light waves (5; 5x, 5y) being emitted from a first end (141) of the second phase delay element (14) and exciting fourth linearly polarized light waves (5a) which are supplied to the transmission evaluation unit (2),
with the fourth linearly polarized light waves (5a) being detected, and the measured data being evaluated, in the transmission evaluation unit (2),
with the angle ρ differing from an odd-numbered multiple of 90° by an angle ε, where ε ≠ 0° and -90° < ε < 90°, and with the angle ρ' differing from an odd-numbered multiple of 90° by an angle ε', where ε' ≠ 0° and -90 < ε' < 90° and
with a polarization axis (x', y') of the first linearly polarized light waves (3) being arranged relative to a polarized axis (x, y) of the second linearly polarized light waves (4), and/or a polarization axis (x, y) of the third linearly polarized light waves (5) being arranged relative to a polarization axis (x', y') of the fourth linearly polarized light waves (5a) such that the corresponding polarization axes include an angle which differs from 45° by an angle Δα,
characterized in that the angle Δα is defined by: 0° < Δα < 45° and in that the angle Δα is chosen as a function of at least the angles ε, ε' such that any non-linearities in the relationship between the magnetooptically induced phase shift of the elliptically polarized light waves (6; 6') and the electric current (I) or magnetic field to be measured, are less than in the situation Δα = 0°.
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